Dieser Spickzettel zu trigonometrischen Formeln enthält die Identitäten, die Schülerinnen und Schüler am häufigsten verwenden: die Grunddefinitionen, Kehrwert- und pythagoreische Identitäten sowie die Formeln zum Addieren, Subtrahieren, Verdoppeln und Halbieren von Winkeln.

Am hilfreichsten ist es, trigonometrische Formeln als zusammenhängend zu verstehen, nicht als zufällige Sammlung. Die Definitionen im rechtwinkligen Dreieck erklären die Verhältnisse, und der Einheitskreis zeigt, warum dieselben Beziehungen bei jedem Winkel immer wieder auftreten.

Wichtige trigonometrische Formeln, die man wirklich benutzt

Für einen Winkel θ\theta in einem rechtwinkligen Dreieck gilt:

sinθ=oppositehypotenuse,cosθ=adjacenthypotenuse,tanθ=oppositeadjacent\sin \theta = \frac{\text{opposite}}{\text{hypotenuse}}, \quad \cos \theta = \frac{\text{adjacent}}{\text{hypotenuse}}, \quad \tan \theta = \frac{\text{opposite}}{\text{adjacent}}

Falls cosθ0\cos \theta \ne 0 ist, ist der Tangens der Quotient aus Sinus und Kosinus:

tanθ=sinθcosθ\tan \theta = \frac{\sin \theta}{\cos \theta}

Die Kehrwertfunktionen sind:

cscθ=1sinθ,secθ=1cosθ,cotθ=1tanθ=cosθsinθ\csc \theta = \frac{1}{\sin \theta}, \quad \sec \theta = \frac{1}{\cos \theta}, \quad \cot \theta = \frac{1}{\tan \theta} = \frac{\cos \theta}{\sin \theta}

Diese Grunddefinitionen gelten direkt im rechtwinkligen Dreieck. Bei allgemeineren trigonometrischen Aufgaben werden dieselben Beziehungen stattdessen meist auf dem Einheitskreis interpretiert.

Pythagoreische Identitäten

Diese Identitäten tauchen ständig auf, wenn man Ausdrücke vereinfacht:

sin2θ+cos2θ=1\sin^2 \theta + \cos^2 \theta = 1 1+tan2θ=sec2θwhen cosθ01 + \tan^2 \theta = \sec^2 \theta \quad \text{when } \cos \theta \ne 0 1+cot2θ=csc2θwhen sinθ01 + \cot^2 \theta = \csc^2 \theta \quad \text{when } \sin \theta \ne 0

Die erste Identität ist die wichtigste. Die beiden anderen entstehen durch Division durch cos2θ\cos^2 \theta bzw. sin2θ\sin^2 \theta, daher ist die Bedingung an den Nenner wichtig.

Formeln für Winkelsumme und Winkeldifferenz

Verwende diese Formeln, wenn du einen Winkel als Summe oder Differenz zweier einfacherer Winkel schreibst:

sin(α+β)=sinαcosβ+cosαsinβ\sin(\alpha + \beta) = \sin \alpha \cos \beta + \cos \alpha \sin \beta sin(αβ)=sinαcosβcosαsinβ\sin(\alpha - \beta) = \sin \alpha \cos \beta - \cos \alpha \sin \beta cos(α+β)=cosαcosβsinαsinβ\cos(\alpha + \beta) = \cos \alpha \cos \beta - \sin \alpha \sin \beta cos(αβ)=cosαcosβ+sinαsinβ\cos(\alpha - \beta) = \cos \alpha \cos \beta + \sin \alpha \sin \beta tan(α+β)=tanα+tanβ1tanαtanβ\tan(\alpha + \beta) = \frac{\tan \alpha + \tan \beta}{1 - \tan \alpha \tan \beta} tan(αβ)=tanαtanβ1+tanαtanβ\tan(\alpha - \beta) = \frac{\tan \alpha - \tan \beta}{1 + \tan \alpha \tan \beta}

Beim Tangens darf der Nenner nicht 00 sein, und jeder verwendete Tangenswert muss definiert sein.

Doppelwinkel- und Halbwinkelformeln

Doppelwinkelformeln sind nützlich, wenn derselbe Winkel zweimal vorkommt:

sin(2θ)=2sinθcosθ\sin(2\theta) = 2 \sin \theta \cos \theta cos(2θ)=cos2θsin2θ\cos(2\theta) = \cos^2 \theta - \sin^2 \theta

Äquivalente Formen für den Kosinus sind:

cos(2θ)=2cos2θ1=12sin2θ\cos(2\theta) = 2\cos^2 \theta - 1 = 1 - 2\sin^2 \theta tan(2θ)=2tanθ1tan2θ\tan(2\theta) = \frac{2\tan \theta}{1 - \tan^2 \theta}

Die Halbwinkelformeln sind:

sin(θ2)=±1cosθ2\sin\left(\frac{\theta}{2}\right) = \pm \sqrt{\frac{1 - \cos \theta}{2}} cos(θ2)=±1+cosθ2\cos\left(\frac{\theta}{2}\right) = \pm \sqrt{\frac{1 + \cos \theta}{2}} tan(θ2)=sinθ1+cosθ=1cosθsinθ\tan\left(\frac{\theta}{2}\right) = \frac{\sin \theta}{1 + \cos \theta} = \frac{1 - \cos \theta}{\sin \theta}

Bei den Halbwinkelformeln mit Wurzel hängt das Vorzeichen vom Quadranten von θ/2\theta/2 ab.

Durchgerechnetes Beispiel: Bestimme sin75\sin 75^\circ

Schreibe 7575^\circ als 45+3045^\circ + 30^\circ und verwende die Formel für die Winkelsumme:

sin(75)=sin(45+30)\sin(75^\circ) = \sin(45^\circ + 30^\circ) =sin45cos30+cos45sin30= \sin 45^\circ \cos 30^\circ + \cos 45^\circ \sin 30^\circ

Setze nun die bekannten Werte der speziellen Winkel ein:

=(22)(32)+(22)(12)= \left(\frac{\sqrt{2}}{2}\right)\left(\frac{\sqrt{3}}{2}\right) + \left(\frac{\sqrt{2}}{2}\right)\left(\frac{1}{2}\right) =64+24=6+24= \frac{\sqrt{6}}{4} + \frac{\sqrt{2}}{4} = \frac{\sqrt{6} + \sqrt{2}}{4}

Das ist das Grundmuster bei trigonometrischen Aufgaben mit exakten Werten: Zerlege einen schwierigeren Winkel in bekannte Winkel und wende dann eine Formel sorgfältig an.

Häufige Fehler bei trigonometrischen Formeln

  1. Identitäten und Gleichungen zu verwechseln. Eine Identität gilt für jeden Winkel, für den beide Seiten definiert sind. Eine Gleichung wie sinθ=12\sin \theta = \frac{1}{2} gilt nur für bestimmte Winkel.
  2. Definitionsbedingungen zu vergessen. tanθ\tan \theta, secθ\sec \theta und Formeln, die darauf aufbauen, sind nicht definiert, wenn cosθ=0\cos \theta = 0.
  3. Das Vorzeichen in Halbwinkelformeln wegzulassen. Das ±\pm wird durch den Quadranten von θ/2\theta/2 bestimmt, nicht allein durch das Vorzeichen von θ\theta.
  4. In den Winkelformeln das falsche Vorzeichen zu übernehmen. Besonders bei den Kosinusformeln passiert dieser Fehler leicht.
  5. Die Definitionen aus dem rechtwinkligen Dreieck außerhalb ihres Gültigkeitsbereichs zu verwenden, ohne zur Einheitskreis-Sicht zu wechseln. Für Winkel, die über spitze Dreieckswinkel hinausgehen, ist der Einheitskreis die sicherere Deutung.

Wann trigonometrische Formeln verwendet werden

Diese Formeln werden verwendet, um trigonometrische Ausdrücke zu vereinfachen, trigonometrische Gleichungen zu lösen, exakte Werte zu bestimmen und die Analysis zu unterstützen, etwa bei Ableitungen, Integralen und Substitutionen. Sie tauchen auch in Physik und Ingenieurwissenschaften auf, wenn es um Rotation, Wellen, Schwingungen oder periodische Bewegung geht.

In der Praxis ist der Ablauf meist so: Muster erkennen, Bedingung prüfen, die passende Identität wählen und dann langsam genug vereinfachen, damit die Vorzeichen korrekt bleiben.

Versuche eine ähnliche Aufgabe

Versuche, cos15\cos 15^\circ zu bestimmen, indem du 1515^\circ als 453045^\circ - 30^\circ schreibst. Wenn dein Ergebnis exakt und positiv ist, hast du den Spickzettel richtig verwendet.

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